更高強(qiáng)度的鋼化玻璃是如何生產(chǎn)出來的？

前兩天的微博熱搜，一直被小張占據(jù)著，并一直處于“沸”的狀態(tài)。

來源：微博熱榜 小張是誰？究竟發(fā)生了什么事？能引發(fā)全網(wǎng)關(guān)注。 原來這是1818黃金眼發(fā)布的一個新聞：寧波小伙小張近日在洗澡時，租住公寓的浴室鋼化玻璃門突然破裂，導(dǎo)致小張手部受傷。因為無法與物業(yè)就賠償方案達(dá)成一致，他聯(lián)系了媒體曝光此事。 一個普通的民事糾紛，沒想到卻演變成了全網(wǎng)第一的熱點(diǎn)事件，甚至占據(jù)熱搜頭名幾乎一整天。很多人對小張空降熱搜榜首的原因感到不解，看到評論才明白，最重要的原因可能和小張的長相有關(guān)。畢竟，評論里整齊劃一地都在夸小張帥。 越來越多吃瓜群眾的涌入導(dǎo)致小張事件的熱度持續(xù)上升，甚至到了下午，話題“小張這么帥怎么可以受傷”都沖上了熱搜前五。 帥與不帥跟每個人的審美情趣有關(guān)，我們不做過多評價，不過鋼化玻璃倒是值得好好地說道說道。 鋼化玻璃與普通玻璃相比，為什么有更高強(qiáng)度？又為什么會突然發(fā)生破碎？鋼化玻璃和防彈玻璃是一回事嗎？鋼化玻璃又有哪些奇特的性質(zhì)？ 借著小張事件的東風(fēng)，我等吃瓜群眾在欣賞小張俊美的容顏之外，也該順便學(xué)點(diǎn)與玻璃有關(guān)的生活常識。

Part. 1

更高強(qiáng)度的鋼化玻璃是如何生產(chǎn)出來的？ 本質(zhì)上來說，鋼化玻璃和普通玻璃的材質(zhì)是類似的，沒有特殊之處。讓鋼化玻璃產(chǎn)生強(qiáng)化效應(yīng)的是它獨(dú)特的制作工藝。 正常的平板玻璃的制作過程是：原料經(jīng)過高溫熔融，形成均勻無氣泡的玻璃液；當(dāng)玻璃液冷卻到可以進(jìn)行機(jī)械加工的溫度范圍內(nèi)時，對其進(jìn)行壓延，形成平板形態(tài)；冷卻下來的玻璃內(nèi)部應(yīng)力極大，需要再進(jìn)行退火，即在一個較低的溫度下再加熱一段時間并緩慢冷卻，以此降低內(nèi)部應(yīng)力，穩(wěn)定內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

玻璃工廠照片 來源：維基百科 而鋼化玻璃則要在上述工藝最后再補(bǔ)上一個強(qiáng)化的步驟，具體來說就是，在得到確定尺寸的普通玻璃后，將其加熱到650℃到700℃左右的玻璃軟化點(diǎn)附近，然后在玻璃兩側(cè)同時用高壓氣流吹氣，使之急速冷卻。此時玻璃表面將率先降溫收縮，在兩側(cè)表層內(nèi)形成具有很高內(nèi)部壓應(yīng)力的結(jié)構(gòu)。之后冷卻的中心部則將隨之具有很高的內(nèi)部拉應(yīng)力。最終，玻璃兩側(cè)將形成各自約為1/6玻璃厚的壓應(yīng)力層。 那么為什么是兩側(cè)受壓，中心受拉，而并非反過來呢？這主要是因為玻璃兩側(cè)遇冷收縮時，任何一個身處表層的位置都將受到來自四面八方的擠壓，因此表層中會形成壓應(yīng)力層；而中心處因為冷卻較慢，來不及收縮，因此形成拉應(yīng)力層。 我們可以把應(yīng)力理解為是材料內(nèi)部具有的“內(nèi)在”力，較高的應(yīng)力意味著材料內(nèi)部存儲著額外的能量，因此會形成“不安分”的因素。例如夏天西瓜豐收時，有些熟透的西瓜稍微遇到一點(diǎn)外力就會自己爆開，這就是西瓜內(nèi)部存在應(yīng)力的表現(xiàn)。 那為什么應(yīng)力反而是玻璃得以強(qiáng)化的關(guān)鍵呢？ 玻璃這種材料，有一個非常顯著的性質(zhì)，那就是怕拉不怕壓。對于外界的壓力負(fù)荷有很強(qiáng)的抵抗作用，但承受拉力負(fù)荷的能力卻要低得多。假如我們把一片平板玻璃用四周的框架支起來，就像玻璃屋頂或者玻璃廊橋的橋面一樣。我們會發(fā)現(xiàn)玻璃受到荷重影響時，上方仍然處在受壓的狀態(tài)，但下方其實是受拉的狀態(tài)。當(dāng)載荷逐漸增加，玻璃撓曲程度加深，下方受到的拉應(yīng)力也越來越大。最后，玻璃的下方，即未受載荷的那一面將先發(fā)生破壞。 鋼化玻璃雙側(cè)表面的壓應(yīng)力區(qū)域很好地抵消了載荷影響，玻璃弱側(cè)（不受載荷的一側(cè)）的拉應(yīng)力不會增加到普通玻璃相同的程度，也就沒有那么容易發(fā)生斷裂。一般來說，經(jīng)過強(qiáng)化處理的玻璃強(qiáng)度可以提高到原來的3到5倍以上。

玻璃受壓撓曲示意圖 來源：參考文獻(xiàn)3

Part. 2

鋼化玻璃真的會爆炸嗎？ 鋼化玻璃雖然強(qiáng)度高，但是它絕對不是堅不可摧的。而且鋼化玻璃一旦發(fā)生破壞，就會迅速崩解，碎成渣渣。我們上面已經(jīng)說過，鋼化玻璃其實是一種內(nèi)部存在著很大應(yīng)力的材料，正常情況下壓應(yīng)力和拉應(yīng)力得以平衡，玻璃自然也能維持完好的外在狀態(tài)。不過這種平衡一旦被打破，巨大的內(nèi)應(yīng)力就將瞬間釋放，從最先發(fā)生破壞的薄弱點(diǎn)傳遞到整塊玻璃，使其迅速碎裂。 最先發(fā)生的薄弱點(diǎn)有很多種，比如玻璃安裝、移動過程中的磕碰會讓邊緣乃至表面的壓應(yīng)力層受損，形成裂口。如果裂口足夠深，抵達(dá)或者接近拉應(yīng)力層，內(nèi)部平衡的破壞會讓鋼化玻璃馬上破碎。因此鋼化玻璃的移動和施工過程要非常小心，避免任何瑕疵的發(fā)生。因為即便是非常淺的表面裂口，也會成為未來發(fā)生斷裂的薄弱環(huán)節(jié)。 還有的薄弱點(diǎn)來自內(nèi)部，比如玻璃制造過程中內(nèi)部存在的雜質(zhì)顆粒等。日常生活中，鋼化玻璃在沒有受到任何外力作用的情況下也可能發(fā)生崩解，這種情形應(yīng)該就是內(nèi)部雜質(zhì)惹的禍。玻璃的制作過程中，當(dāng)然包含原料凈化一類工藝，但無論如何還是會有殘留雜質(zhì)的存在。玻璃最常見的雜質(zhì)是硫化鎳，它以顆粒物的形式聚集在玻璃內(nèi)部。一旦受到外力（甚至根本沒受到外力），硫化鎳顆粒周圍的區(qū)域常常會率先發(fā)生破碎，整塊玻璃也將隨之崩解。 為了盡量避免這種情形的發(fā)生，很多廠家在鋼化玻璃的制作過程中，會對每一塊玻璃都進(jìn)行熱浸（heat soak）檢測。具體方法就是，將玻璃加熱到300℃左右再冷卻下來，存在硫化鎳的玻璃基本上經(jīng)不起這樣的折騰，都會自動崩解，以此來保證出廠產(chǎn)品盡可能不含有內(nèi)部雜質(zhì)。 不過，鋼化玻璃的崩解問題很難從原理上百分之百避免，除了盡可能提升產(chǎn)品質(zhì)量外，還可以采用一些保護(hù)措施，比如，給玻璃貼上透明有機(jī)物貼膜，即便玻璃崩解，碎渣也不會四散飛濺。 在中國，建筑物外墻的鋼化玻璃如果離地3米以上，就要求必須采用貼膜工藝。不過，話說回來，鋼化玻璃崩解雖然看著嚇人，但是遠(yuǎn)比普通玻璃破裂安全。鋼化玻璃的內(nèi)部構(gòu)造決定了它崩解的過程中不會產(chǎn)生大塊的銳利碎片，而是形成缺乏尖銳棱角的小塊。 而且，所謂的崩解也并非是像爆炸一樣四散飛濺，鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生的能量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法讓碎片們四散飛起，更多的是原地落下。本次小張受傷恐怕是因為鋼化玻璃崩解瞬間，他和玻璃的距離實在太近，祝愿他能盡快康復(fù)。

鋼化玻璃破壞原理 來源：參考文獻(xiàn)3

Part.3

鋼化玻璃和防彈玻璃是不是一回事？ 很多人都在電視上看過用大錘擊打鋼化玻璃的視頻，它們在重錘之下仍然完好無損。但鋼化玻璃的強(qiáng)度級別還是不足以抵擋子彈，子彈具有巨大的動能和極小的作用面積，因此擊碎鋼化玻璃不是難事。 真正的防彈玻璃主要有兩種，一種是透明的高分子聚合物材料，聚碳酸酯、PVB樹脂、聚氨酯等，實際制造過程中一般采用多層結(jié)構(gòu)而非單一厚層。 另外一種是在玻璃中間夾雜透明有機(jī)物層，一般同樣采用多層結(jié)構(gòu)，這樣玻璃在著彈后雖然會破碎，但有機(jī)聚合物層仍然可以讓碎片牢固地結(jié)合在一起。 防彈玻璃并非依靠自身的堅固性將子彈彈開，而是通過玻璃的破碎和樹脂層的捕集讓子彈動能消散，從而滯留在樹脂層上。為了實現(xiàn)足夠的防彈效果，防彈玻璃的厚度也日益增大，例如防彈頭盔的透明面罩或者防彈盾牌的觀察窗，厚度就達(dá)到30毫米以上。不過日常生活中，紫外線會讓聚合物層的性質(zhì)發(fā)生改變，影響阻彈效果，因此防彈玻璃壽命大約都在3到6年左右。 還有一種玻璃雖然沒有防彈玻璃那么高的耐沖擊規(guī)格，但同樣具有吸能、防崩解等特點(diǎn)，這就是所謂的防盜玻璃。防盜玻璃受到錘子一類銳器擊打，也不會發(fā)生整體的潰破，而且短時間內(nèi)銳器也無法在其上突破出足夠人進(jìn)入的孔洞，可以說是防彈玻璃的民用版。

鋼化玻璃（左）和防彈玻璃（右） 來源：維基百科

Part.4

與鋼化玻璃有關(guān)的小知識 鋼化玻璃無法進(jìn)行尺寸加工，必須在出廠前確定好尺寸。 鋼化玻璃雖然強(qiáng)度更高，但耐熱溫度和耐熱沖擊性能并不比普通玻璃更高，遇到急劇變化的溫度沖擊時很可能會崩解。 鋼化玻璃的表面硬度其實比普通玻璃還要低，因此相比而言更不耐磨。 鋼化玻璃的剛性（抗彎曲、撓曲的能力）并不比普通玻璃更強(qiáng)。 鋼化玻璃的表面平坦度比普通玻璃差，很多建筑外墻映出的景色會變形就是因為這個道理。 利用偏光鏡去觀察鋼化玻璃時，如果光線的反射、觀察角度以及玻璃背面顏色滿足一定條件時，會看到干涉條紋，這是其內(nèi)部存在應(yīng)力所致。 鋼化玻璃可能會發(fā)生崩解，但這種危險的事故本應(yīng)該被避免，因此需要廠家在生產(chǎn)以及后續(xù)的安裝過程中多加注意，畢竟這可關(guān)系到每個人的安全，也希望不會再有因為鋼化玻璃而受傷的案例出現(xiàn)。

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